在油井增产中选择表面活性剂的方法
【专利摘要】一种确定在地层中使用表面活性剂的适用性的方法，可包括：在所述地层中采集水；提供至少两种表面活性剂；以及将每种所述表面活性剂与地层水混合以形成表面活性剂／水样本。所述方法还可以包括：确定每种表面活性剂与所述地层水的可溶性；比较每种表面活性剂与其它表面活性剂的可溶性；以及基于每种表面活性剂与其它表面活性剂相比在所述地层水样本中的可溶性，将可溶性性能值分配给每种表面活性剂。
【专利说明】在油井增产中选择表面活性剂的方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及在油气开采中用于压裂地下地层的压裂液的领域。本公开尤其涉及选择在压裂液中使用的表面活性剂的方法。
【背景技术】
[0002]液力压裂是一种用于在开采地层中产生额外的渗透性以增强油气朝向井筒(wellbore)的流动的地层增产(stimulation)技术。通常,在液力压裂操作过程中，使用高液压压力来压裂地下地层，产生裂缝以有利于增强油气的流动。经常使用支撑剂(proppant)来使在压裂操作中产生的裂缝保持打开。
[0003]压裂液包括许多成分，并且通常为水基的。这些成分通常包括酸、生物杀伤剂(biocides)、破碎剂(breakers)、腐蚀抑制剂、减摩剂(friction reducer)、凝胶、铁控制化学物质、氧清除剂、表面活性剂(surfactant)和阻垢剂。
[0004]用于选择表面活性剂的常规选择方法集中于表面活性剂的一个或两个属性。特别是对非常规的石油和天然气井场(Play)而言，选择用于液压压裂的表面活性剂的功效取决于许多因素，包括地层特性、油的类型、贮层温度、以及压裂液中的其它组分。
[0005]需要为特定用途的压裂液确定表面活性剂的功效的方法。
【发明内容】
[0006]本文描述的方法通常涉及石油和天然气开采领域。尤其描述了选择用于压裂液的表面活性剂的方法。
[0007]在本发明的一个实施例中。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]通过结合附图阅读下列详细描述，将最佳地理解本发明。需要强调的是，根据业内一贯做法，不按比例绘制各种特征。事实上，为了讨论的清楚起见，可任意地缩小各种特征的尺寸。
[0009]图1是根据本发明的一个或多个方案，随时间变化的动态表面张力的测量值的模型的示例；
[0010]图2是根据示例2的各种表面活性剂的扩散系数的曲线图。
[0011]图3是根据示例3比较非乳化表面活性剂和弱乳化表面活性剂的相分离速率的曲线图。
[0012]图4示出根据示例3非乳化表面活性剂和弱乳化表面活性剂的液滴尺寸分布。
[0013]图5是示出油气田示例的开采表。
【具体实施方式】
[0014] 下面的公开内容不限于所描述的实施例、版本或者示例，其被包括进来以使本领域普通技术人员在将本专利中的信息与可用的信息和技术相结合时能够制造和使用所公开的主题。
[0015]本文所使用的各种术语如下所示。在下面不对在权利要求中使用的术语定义的情况下，应对术语给予相关领域技术人员所给予该术语的最宽泛的定义，如在提交时印刷出版物和发行的专利中所反映的。此外，除非另有说明，本文所述的所有化合物可以是取代化合物或非取代化合物，并且化合物的列表包括其衍生物。
[0016]此外，各种范围和/或数值限制可以明确陈述如下。应当认识到，除非另有说明，有意使端点可以互换。此外，任何范围包括落入明确说明的范围或限制内的相似幅值的迭代范围。例如，如果详细描述提到的范围为从I至5，则该范围包括该范围内的所有迭代范围，例如包括1.3-2.7或4.9-4.95。
[0017]本公开描述了可以执行用以为压裂液选择特定表面活性剂的许多测试。在一个实施例中，使用所有的测试。在其它实施例中，可以执行选择的测试。这些测试可以以任何顺序执行，并且在下面描述的顺序是非限制性的。
[0018]这些测试包括:
[0019]1.水溶性一可以测试表面活性剂看该表面活性剂是否可溶于水。水溶性测试可帮助选择表面活性剂，以确定该表面活性剂是否能够沿水边(water front)的前缘移动并到达岩层的内部；
[0020]2.乳化倾向(emulsion tendency) —可以执行对含有表面活性剂的油和水的视觉检查，并可以确定乳化液滴(droplet)尺寸和ζ电势(zeta potential),以获知表面活性剂在水乳液中产生弱油 或瞬态油的倾向。
[0021]3.油气和表面活性剂溶液之间的界面表面张力测量。
[0022]4.表面活性剂进入岩层的润湿性自发吸胀(wettability-spontaneousimbibitions)
[0023]5.采油率(oil recovery) 一在采油率测试中,可以使被破碎的地层芯或钻屑饱和有来自相同地层的原油，并且使表面活性剂溶液通过填充在玻璃柱中的地层芯。收集流出物并可以量化各种表面活性剂的采油率。
[0024]6.对支撑剂的吸附性一在压裂操作中，一些表面活性剂分子可以被吸附在支撑剂的表面上而未到达储层的内部。这个测试是量化因支撑剂损耗多少表面活性剂分子。
[0025]现在将更详细地说明上述每个测试。
[0026]1.水溶性
[0027]可溶于水或可分散于水中的表面活性剂可以更容易地到达地层的内部。因为表面张力梯度或吉布斯-马兰哥尼效应(Gibbs-Marangoni effect),所以表面活性剂从低表面张力的区域扩散到高表面张力的区域，表面活性剂可保持在水边的前端并且进一步穿透地层。在该测试中，通常使用来自地层的新鲜水或源水(source water)并将不同浓度的所选择的表面活性剂添加到水中。如果表面活性剂是可溶的或可分散的，则水通常保持清澈或轻微浑浊。如果不溶，则水通常会变为混浊或不透明的。在表面活性剂为不溶性的某些情况下，可能会发现沉淀物。传统的亲水-亲脂平衡(hydrophile-lipophile balance, HLB)的数字可以用于不含高浓度的二价离子(硬水)和盐(盐水)的水，其中具有小于4的HLB值的表面活性剂不溶，除此以外，浊度计可以用于监测溶液的混度或浊度。[0028]2.乳化倾向
[0029]页岩井场经常具有少孔性及超低渗透性。在某些情况下，渗透性可以在纳达西(nanodarcies)或毫达西范围中。因此，可以限定和/或限制从储层的内部迁移到液力压裂过程中产生的人工支撑裂缝的油分子的流动路径。在某些实施例中，可能需要表面活性剂来使由大量水导致的地层破坏最小化并提高石油和天然气的产量。通常，使用非乳化性表面活性剂，使得产生更少的油/水乳液。然而，在本公开的一个实施例中，可以使用弱乳化表面活性剂来提高地层的产量。
[0030]在本公开的一个实施例中，乳化测试用于通过用动态光散射测量监测乳化来量化相分离速率(phase separation rate)和乳化液滴尺寸分布。然后，可以筛选表面活性剂以去除分离得太快的表面活性剂，其具有大于10微米的液滴尺寸和松散的分布，从而可能导致较差的油气田产量。
[0031]3.界面表面张力
[0032]动态和静态的表面张力是通常确定空气/气体与表面活性剂溶液之间的表面张力的表面活性剂的两个物理性质。不管是空气/液体还是固体/液体界面，表面活性剂都从溶液主体行进到界面。表面活性剂的行进速度在产生新界面的过程中起着非常重要的作用。
[0033]动态表面张力的测量值可以记录表面张力随着时间的减少。动态表面张力可能涉及诸如发泡、气泡动力学、增溶和去垢性、乳化液滴尺寸以及薄膜稳定性等过程。如果不被理论所束缚，据信随着时间的推移，有足够的时间可用于更多的表面活性剂分子行进到界面并积聚在界面上。这些分子可紧紧地包裹在界面上，从而降低不互溶的两相之间的表面张力。图1示出通过使用诸如Kruss BP100等气泡压力张力计的典型的测量值。与此效应相关的更多的测量可以是表面活性剂的向界面的运动是否主要为扩散。可以确定特征时间并向回关联到表面活性剂的扩散系数。
[0034]降低表面活性剂溶液与原油或凝析油(condensate)之间的界面表面张力(IFT)使得能够调动孔隙空间内的油滴。IFT通常直接与乳化液滴尺寸成正比，即，IFT越低，乳化液滴尺寸越小。油乳化液滴通常优选必须小于10微米，使得其可以从页岩地层的微小孔隙空间逸出。通过使用带Kruss KlOO的环或板的方法来测量IFT。为了对表面活性剂定性，必须将IFT降低到优选低于20mN / m。
[0035]4.润湿性/毛细管压力
[0036]在液力压裂操作中，数百万加仑的水可以泵入页岩地层中。因为页岩的超低渗透性和纳米级孔隙，所以水往往显示较高的毛细管压力并吸收进入孔隙。如果地层压力低于侵入水的毛细管压力，则水可能被卡住，堵塞孔隙，并且当井投入开采时油或气无法流出。在存在表面活性剂时，可以减小侵入水的高的毛细管压力，并且水可以容易地与石油和天然气一起返回，从而降低地层损害/堵塞并提高产量。
[0037]5.采油率
[0038]从地下数千英尺深获得的页岩芯柱通常具有超低渗透率并含有深深陷入地层中的孔隙空间内的油滴。直接通过页岩芯柱泵送表面活性剂溶液可能不可行，因为需要大的压力差。此外，从页岩芯柱采收的石油通常太少，所以其结果不是可再生产的。用本公开的采油率测试，可以区分各种表面活性剂和表面活性剂的混合物的提取石油的能力。[0039]对支撑剂的吸附性
[0040]包括砂或陶瓷的支撑剂通常与表面活性剂一起泵送。一些表面活性剂容易吸附在支撑剂的表面上，并因此未到达地层的内部。被吸附的表面活性剂视为损耗而可能不利于石油和天然气开采。表面活性剂对支撑剂的吸附性可以被评估计为损耗。因支撑剂的损耗可以是比较各种表面活性剂的参考。
[0041]示例
[0042]示例I (水溶性):
[0043]将99.9克源水倒入玻璃瓶中。将0.1克的线性乙氧基化醇(ethoxyated alcohol)表面活性剂加入到源水中。将瓶用手摇动30秒，并将溶液静置过夜。使用浊度计来测量溶液的浊度。如果该数值高于20%，优选40%，则该表面活性剂被证实是可溶的或可分散的。
[0044]示例2 (动态表面张力):
[0045]制备100克1000ppm(parts per million,百万分率)的源水中的表面活性剂以形成表面活性剂溶液。将70克表面活性剂溶液加入到气泡压力张力计(例如Kruss BP100)中的测量容器。
[0046]开始测量并记录随表面时龄时间(surface age time)变化的表面张力。
[0047]按照下面的等式，由曲线的数据拟合确定特征时间τ d与平衡表面张力Y eq:
【权利要求】
1.一种确定在地层中使用的表面活性剂的适用性的方法，包括: 在所述地层中采集水；以及 提供至少两种表面活性剂； 将每种所述表面活性剂与地层水混合以形成表面活性剂/水样本； 确定每种表面活性剂与所述地层水的可溶性； 比较每种表面活性剂与其它表面活性剂的可溶性；以及 基于每种表面活性剂与其它表面活性剂相比在所述地层水样本中的可溶性，将可溶性性能值分配给每种表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用浊度计执行所述确定每种表面活性剂的可溶性的步骤，并且通过比较所述表面活性剂水样本的浊度百分比来执行所述比较每种表面活性剂的水溶性的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括: 确定每种表面活性剂/水样本的扩散系数； 比较每种表面活性剂/水样本的扩散系数；以及 基于与其它表面活性剂相比的相应表面活性剂/水样本的扩散系数，将扩散系数性能值分配给每种表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述确定扩散系数的步骤包括: 由拟合下式的数据确定特征时间Td与平衡表面张力Yeq:1f*
5.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述地层中采集原油； 将所述原油与所述表面活性剂混合，以形成原油/表面活性剂样本； 机械搅拌所述原油/表面活性剂样本； 确定每个原油/表面活性剂样本的相分离速率； 比较每个原油/表面活性剂样本的相分离速率；以及 基于与其它表面活性剂相比的相应原油/表面活性剂样本的相分离速率，将相分离速率性能值分配给每种表面活性剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定所述相分离速率的步骤包括: 通过以下曲线的斜率计算所述相分离速率 Λ透射或反向散射=f (时间)。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括: 提供饱和有来自所述地层的石油的来自所述地层的被破碎的岩芯柱； 为每种表面活性剂形成表面活性剂溶液； 为每种表面活性剂使所述表面活性剂溶液通过被破碎的岩芯柱以形成流出物；为每种表面活性剂确定从所述流出物的采油率； 为每种表面活性剂比较采油率；以及 基于与其它表面活性剂相比的相应表面活性剂的采油率，将采油率性能值分配给每种表面活性剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过使用红外光谱确定所述采油率。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括: 提供来自所述地层的被破碎的岩芯柱； 使所述被破碎的岩芯柱与每种表面活性剂接触； 确定每种表面活性剂的毛细管压力； 比较每种表面活性剂的毛细管压力；以及 基于与其它表面活性剂相比的相应表面活性剂的毛细管压力，将毛细管压力性能值分配给每种表面活性剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其中得到确定每种表面活性剂的毛细管压力的步骤还包括: 确定被破碎的岩芯柱的 重量增加； 绘制重量增加的平方相对时间的曲线；以及 找到所述曲线的斜率。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括: 选择用于所述地层的支撑剂； 使所述支撑剂接触每种表面活性剂； 确定每种表面活性剂的表面张力； 比较每种表面活性剂的表面张力；以及 基于与其它表面活性剂相比的相应表面活性剂的表面张力，将表面张力性能值分配给每种表面活性剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述确定表面张力的步骤还包括: 测量残留的表面活性剂。
13.一种确定在地层中使用的表面活性剂的适用性的方法，其中包括: 选择至少两种表面活性剂； 选择支撑剂； 从所述地层获得水样本； 从所述地层获得原油样本； 从所述地层获得岩芯样本； 确定每种表面活性剂在所述水样本中的可溶性； 确定每种表面活性剂在所述水样本中的动态表面张力； 确定每种表面活性剂在所述原油样本中的乳化倾向； 确定每种表面活性剂在饱和有所述原油样本的所述岩芯样本中的采油率； 确定每种表面活性剂在所述岩芯样本中的毛细管压力； 确定每种表面活性剂对所选择的支撑剂的吸附性； 为所述地层选择表面活性剂。
【文档编号】C09K8/68GK104011172SQ201280045209
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】徐亮, 付强 申请人:多化学集团有限责任公司